SKH9 so với M2 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư, quản lý mua sắm và lập kế hoạch sản xuất thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa hai loại thép công cụ tốc độ cao rất giống nhau cho mục đích cắt, tạo hình và gia công chịu mài mòn: loại tốc độ cao theo tiêu chuẩn JIS và loại AISI/SAE được tham chiếu rộng rãi. Vấn đề nan giải trong việc lựa chọn thường tập trung vào thông số kỹ thuật cung ứng và việc tuân thủ tiêu chuẩn, cũng như các yêu cầu về gia công và sau hàn — sự đánh đổi giữa tính khả dụng, quy trình xử lý nhiệt và chi phí gia công thứ cấp thường quyết định lựa chọn hơn là những khác biệt lớn về hiệu suất cơ bản.

Cả hai loại thép này đều là thép tốc độ cao, được thiết kế cho dụng cụ cắt nóng và các ứng dụng gia công nguội/nóng. Chúng thường được so sánh vì thành phần hóa học danh nghĩa và các đặc tính kết quả của chúng gần giống nhau: một loại được cung cấp theo tiêu chuẩn quốc gia của Nhật Bản, loại còn lại theo các công ước thép dụng cụ của Bắc Mỹ/quốc tế. Trên thực tế, các yếu tố quyết định là sự phù hợp với tiêu chuẩn, hướng dẫn xử lý nhiệt và tính khả dụng của hình dạng chứ không phải là sự khác biệt đáng kể về mặt luyện kim.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• AISI/SAE/ASTM: AISI/SAE M2 (tài liệu tham khảo quốc tế phổ biến cho loại thép tốc độ cao này; thường được đề cập trong các bảng dữ liệu thép công cụ ASTM).
• JIS: SKH9 (Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản cho thép tốc độ cao tương đương).
• EN/DIN: Có các ký hiệu EN/DIN tương đương (thường được trình bày là HS6-5-2 hoặc các loại thép công cụ EN tương tự; nhãn EN chính xác thay đổi tùy theo quốc gia và họ hợp kim cụ thể).
• GB (Trung Quốc): Tiêu chuẩn Trung Quốc liệt kê các loại thép công cụ có thành phần hóa học tương tự (số hiệu/nhãn khác nhau).
• Phân loại: Cả SKH9 và M2 đều là thép dụng cụ tốc độ cao (HSS), tức là thép dụng cụ/hợp kim được thiết kế để đạt độ cứng đỏ, khả năng chống mài mòn và độ dẻo dai ở nhiệt độ cao. Chúng không phải là thép không gỉ.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây liệt kê các phạm vi thành phần điển hình cho từng loại. Các giá trị được trình bày dưới dạng phạm vi điển hình; kết quả phân tích thực tế được chứng nhận nên được lấy từ nhà máy hoặc nhà cung cấp để mua sắm và thử nghiệm nghiệm thu.

Yếu tố	SKH9 (điển hình, wt%)	M2 (điển hình, wt%)
C	0,85–1,05	0,85–1,05
Mn	0,15–0,40	0,15–0,40
Si	0,20–0,45	0,20–0,45
P	≤0,03 (tối đa)	≤0,03 (tối đa)
S	≤0,03 (tối đa)	≤0,03 (tối đa)
Cr	3,5–4,5	3,75–4,50
Ni	- (dấu vết)	≤0,3 (vết)
Mo	4.2–5.5	4,5–5,5
V	1,8–2,2	1,75–2,20
Lưu ý	- (dấu vết)	- (dấu vết)
Ti	- (dấu vết)	- (dấu vết)
B	—	—
N	—	—
W (Vonfram)	5,5–6,75	5,5–6,75

Ghi chú: - Cả hai loại đều được hợp kim với W và Mo tương đối cao để tạo độ cứng nóng và hình thành cacbua phức hợp; V tạo ra cacbua loại MC cứng, ổn định giúp cải thiện khả năng chống mài mòn. - Các nguyên tố phụ (Nb, Ti, B, N) thường ở mức vết hoặc không được thêm vào một cách có chủ ý ngoại trừ trong các biến thể đặc biệt (ví dụ, luyện kim bột hoặc HSS biến tính). - Chiến lược hợp kim nhấn mạnh vào khả năng làm cứng cao và cacbua ổn định hơn là khả năng chống ăn mòn: W/Mo + Cr + V cao tạo ra cacbua phức hợp M6C/M2C và MC có khả năng chống mài mòn và độ cứng đỏ.

3. Cấu trúc vi mô và phản ứng xử lý nhiệt

Cấu trúc vi mô điển hình: - Cả SKH9 và M2 đều tạo ra ma trận martensite tôi luyện chứa sự phân bố của các loại carbide cứng: carbide phức hợp giàu vonfram và molypden (thường được gọi là loại M6C/M2C) và carbide MC giàu vanadi. Kích thước và sự phân bố carbide phụ thuộc rất nhiều vào quá trình nấu chảy, đông đặc và rèn/cán.

Hành vi xử lý nhiệt: - Austenit hóa: Thép tốc độ cao cần nhiệt độ austenit hóa cao để hòa tan phần cacbua cần thiết và thu được cacbon nền mong muốn trong dung dịch. Khoảng nhiệt độ austenit hóa điển hình của nhóm này khá cao (thường trong khoảng từ 1180°C đến 1250°C), nhưng nhiệt độ chính xác được lấy từ biểu đồ xử lý nhiệt của nhà cung cấp. - Làm nguội: Tôi bằng dầu hoặc tôi bằng khí được sử dụng để tạo thành martensite; do hàm lượng hợp kim cao, austenit giữ lại có thể đáng kể và thường được kiểm soát bằng xử lý lạnh nếu cần ít austenit giữ lại hơn. - Ủ: Nhiều chu kỳ ủ (hai hoặc ba) ở nhiệt độ trung gian (thường trong khoảng 520°C–600°C, tùy thuộc vào độ cứng mục tiêu) giúp ổn định ma trận và kết tủa các cacbua thứ cấp. Lịch trình ủ quyết định sự cân bằng giữa độ cứng và độ dẻo dai cuối cùng. - Chuẩn hóa/ủ: Để gia công hoặc tạo hình, ủ mềm (giữ ở nhiệt độ để tạo hình cầu cho cacbua, làm nguội chậm) được sử dụng để giảm độ cứng và cải thiện khả năng gia công.

Sự khác biệt: - Về mặt luyện kim, hai loại thép này phản ứng rất giống nhau. Sự khác biệt quan sát được trong thực tế thường xuất phát từ quy trình xử lý cụ thể (lộ trình nấu chảy, rèn/cán, lịch trình ủ/chuẩn hóa) và từ khuyến nghị xử lý nhiệt của nhà cung cấp hơn là sự tương phản về thành phần nội tại.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học của thép tốc độ cao phụ thuộc rất nhiều vào quá trình xử lý nhiệt, do đó, các con số được trích dẫn tốt nhất là phạm vi điển hình cho các điều kiện thông thường. Bảng dưới đây thể hiện các phạm vi đại diện cho điều kiện ủ và điều kiện tôi & ram.

Tài sản	Tình trạng ủ điển hình (đại diện)	Tiêu biểu là cứng và tôi luyện (đại diện)
Độ bền kéo (MPa)	700–1000	1500–2200
Giới hạn chảy (MPa)	~400–700	1000–1600
Độ giãn dài (%)	8–18	2–8
Độ bền va đập (Charpy V, J)	20–40 (ủ)	2–20 (tùy thuộc vào quá trình tôi luyện)
Độ cứng (HRC)	28–34 (ủ)	60–67 HRC (điều kiện dụng cụ tốc độ cao)

Giải thích: - Cả SKH9 và M2 đều có thể được làm cứng đến giá trị HRC cao đặc trưng của HSS (60–67 HRC), với độ bền kéo rất cao và độ dẻo thấp tương ứng. - Vật liệu ủ có thể gia công được và cứng hơn/dẻo hơn đáng kể so với trạng thái đã tôi. - Sự khác biệt về độ bền và độ dẻo dai giữa SKH9 và M2 trong điều kiện xử lý nhiệt tương đương thường là nhỏ; hiệu suất thực tế sẽ phản ánh sự phân bố cacbua và quá trình xử lý nhiệt.

5. Khả năng hàn

Thép tốc độ cao có hàm lượng cacbon và hợp kim tương đối cao về bản chất là khó hàn. Hai chỉ số dự đoán khả năng hàn dựa trên thành phần thường được sử dụng là:

• Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Pcm (Dai): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Cả SKH9 và M2 đều tạo ra các giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ tương đối cao do hàm lượng cacbon, crom, molypden, vonfram và vanadi. Điều này cho thấy khả năng tôi luyện cao và dễ bị nứt nguội và hình thành martensite giòn trong vùng HAZ. - Hậu quả thực tế: hàn thép dụng cụ HS đòi hỏi phải nung nóng sơ bộ nghiêm ngặt, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn, sử dụng vật liệu hàn phù hợp/tương thích và ram sau hàn. Đối với các dụng cụ quan trọng, hàn thường được tránh sử dụng để ưu tiên hàn đồng thau, ghép nối cơ học hoặc gia công lại hoàn toàn các phôi thay thế. - Nếu cần hàn, hãy tham khảo thông số kỹ thuật về quy trình hàn của nhà cung cấp và thực hiện các mối hàn đạt tiêu chuẩn với xử lý nhiệt hoàn toàn sau khi hàn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả SKH9 và M2 đều không phải là hợp kim thép không gỉ. Khả năng chống ăn mòn chỉ giới hạn ở hàm lượng Cr nhưng không đủ để chịu được môi trường khắc nghiệt.
• Các chiến lược bảo vệ phổ biến: sơn, mạ, phủ lắng đọng hơi (TiN, TiAlN), thấm nitơ, phun bi hoặc mạ kẽm cho các ứng dụng không phải dụng cụ. Đối với dụng cụ cắt và tạo hình, kỹ thuật bề mặt (phủ, làm cứng bề mặt) là phương pháp bảo vệ và kéo dài tuổi thọ chính.
• PREN không áp dụng cho các loại thép dụng cụ không phải thép không gỉ này, nhưng để rõ ràng hơn, chỉ số ăn mòn thép không gỉ là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Sử dụng các loại thép chống ăn mòn (thép dụng cụ không gỉ hoặc các hợp kim khác) khi khả năng chống ăn mòn là yêu cầu chính; nếu không, hãy bảo vệ HSS bằng lớp phủ và lưu trữ có kiểm soát.

7. Chế tạo, khả năng gia công và khả năng định hình

• Khả năng gia công: Ở trạng thái ủ (mềm), cả hai loại thép đều có khả năng gia công thô và tinh. Ở trạng thái tôi, mài và EDM là những phương pháp điển hình để tạo hình.
• Cắt và mài: Hàm lượng hợp kim cao và cacbua cứng làm tăng độ mài mòn trên các dụng cụ cắt/mài; sử dụng kim cương hoặc CBN khi cần thiết để có năng suất cao.
• Khả năng tạo hình: Tạo hình nguội bị hạn chế; tạo hình nóng hoặc gia công phôi là phương pháp tiêu chuẩn. Uốn/tạo hình phôi ủ là khả thi nhưng nguy cơ nảy ngược và nứt tăng theo hàm lượng carbon/hợp kim.
• Hoàn thiện bề mặt: Đánh bóng và bám dính lớp phủ được hưởng lợi từ việc phân phối cacbua được kiểm soát và thực hành xử lý nhiệt tốt.

8. Ứng dụng điển hình

SKH9 (JIS) — Công dụng điển hình	M2 (AISI/SAE) — Sử dụng điển hình
Dụng cụ cắt tốc độ cao trong chuỗi cung ứng trong nước/khu vực: máy khoan, máy cắt ren, máy phay, máy doa, máy khoan	Sản xuất toàn cầu các dụng cụ cắt HSS: mũi khoan xoắn, dao phay đầu, mũi taro, lưỡi dao, dao cắt bánh răng
Phôi và chuôi dụng cụ được sử dụng khi yêu cầu thông số kỹ thuật của Nhật Bản	Dụng cụ tiêu chuẩn hóa khi cần thông số kỹ thuật quốc tế hoặc Bắc Mỹ
Cắt nguội và một số công đoạn cắt nóng, trong đó việc mua sắm tại địa phương và tuân thủ thông số kỹ thuật được ưu tiên	Sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, phôi dụng cụ thay thế và các ứng dụng HSS được cacbon hóa; có sẵn ở nhiều dạng bao gồm các biến thể PM

Cơ sở lựa chọn: - Cả hai loại đều được lựa chọn dựa trên khả năng chống mài mòn và độ cứng khi nóng. Lựa chọn dựa trên tình trạng sẵn có tại địa phương, chứng nhận bắt buộc (JIS so với AISI/ASTM), và liệu các nhà cung cấp hạ nguồn có yêu cầu vật liệu theo tiêu chuẩn này hay tiêu chuẩn kia hay không. - Đối với các trường hợp mài mòn nghiêm trọng hoặc có đặc tính chuyên biệt, hãy cân nhắc sử dụng vật liệu thay thế HSS hoặc cacbua luyện kim bột.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Các yếu tố chi phí: giá thị trường vonfram và molypden, phương pháp sản xuất (đúc thông thường so với luyện kim bột) và các yêu cầu về chứng nhận/truy xuất nguồn gốc.
• Tính khả dụng: M2 đã có mặt trên toàn cầu và được nhiều nhà phân phối quốc tế dự trữ; SKH9 phổ biến ở những khu vực mà JIS là tiêu chuẩn mua sắm và có thể được các nhà máy trong nước ưa chuộng.
• Hình dạng sản phẩm: cả hai đều có dạng thanh, phôi và tấm thép công cụ; các biến thể PM‑M2 (luyện kim bột) có giá cao hơn nhưng có độ dẻo dai tốt hơn và phân bổ cacbua đồng đều.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Tiêu chí	SKH9	M2
Khả năng hàn	Kém; cần phải nung nóng trước/làm nguội sau khi hàn	Kém; cần phải nung nóng trước/làm nguội sau khi hàn
Sức mạnh-Độ dẻo dai (điều kiện HT)	Độ cứng và khả năng chống mài mòn cao; độ dẻo dai đặc trưng của HSS	Độ cứng và khả năng chống mài mòn cao; độ dẻo dai đặc trưng của HSS
Chi phí và tính khả dụng	Có sẵn ở các khu vực sử dụng JIS; giá cả cạnh tranh theo khu vực	Có sẵn rộng rãi trên toàn thế giới; cấp tham chiếu tiêu chuẩn cho HSS

Sự giới thiệu: - Chọn SKH9 nếu bạn yêu cầu tuân thủ các tiêu chuẩn quốc gia Nhật Bản, đang mua sắm trong chuỗi cung ứng chỉ định các chỉ định JIS hoặc nếu nhà cung cấp cung cấp dịch vụ xử lý nhiệt và chứng nhận phù hợp với quy trình của bạn. - Chọn M2 nếu bạn cần sản phẩm đạt chuẩn quốc tế được công nhận rộng rãi, có sẵn nguồn cung ứng rộng rãi, chứng nhận tiêu chuẩn AISI/ASTM và dễ dàng tìm nguồn cung ứng từ các nhà phân phối toàn cầu. M2 thường là lựa chọn ưu tiên khi việc mua sắm xuyên biên giới hoặc cung ứng từ nhiều nguồn là quan trọng.

Lời kết: Về mặt luyện kim, SKH9 và M2 về cơ bản là thép tốc độ cao tương đương nhau; sự khác biệt về hiệu suất sử dụng thường do xử lý nhiệt, kiểm soát cacbua, quy trình sản xuất và xử lý bề mặt chứ không phải do sự khác biệt cơ bản về hóa học. Đối với các ứng dụng gia công quan trọng, hãy xin chứng chỉ nhà máy, yêu cầu hướng dẫn xử lý nhiệt của nhà cung cấp và đánh giá hiệu suất lô thực tế bằng độ cứng, cấu trúc vi mô và, nếu cần, thử nghiệm độ dai.